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地特三等申論題 107年 [水利工程] 流體力學

第 二 題

📖 題組:
四、一梯形斷面之渠道,底部寬度,兩側的角度60°,曼寧係數0.02,底床 坡度 0.004,流量0.2m³/s,試求:(每小題10分,共20分)
📝 此題為申論題,共 2 小題

小題 (二)

福德數(Froude no.)。

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本題為明渠水力學標準題型。解題思路為:先利用曼寧公式(Manning's equation)試誤求出正常水深(y),接著計算水面積、水面頂寬及水力深度,最後代入福德數公式 Fr = V / √(gD)。注意題目漏給「底部寬度」數值,答題時建議先設為未知數建立通式,再行假設合理數值作為示範。

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【解題關鍵】利用曼寧公式求出正常水深後,代入福德數公式 $Fr = \frac{V}{\sqrt{gD}}$ 進行計算。 【解答】 (※ 註:原題目「底部寬度」後遺漏具體數值,以下解析將底部寬度設為未知數 $b$ 列出完整標準計算步驟,並於末尾假設 $b=0.5\text{m}$ 進行數值試算示範。)

小題 (一)

水深 h=?

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這是一道經典的明渠均勻流問題。看到題目應立刻聯想到「曼寧公式(Manning's Equation)」。因梯形斷面的面積與濕周均包含未知水深 h,且帶有分數次方,無法直接移項求解,必須先化簡常數項建立含 h 的非線性方程式後,使用「試誤法(Trial and Error)」或計算機的求解功能(Solve)來逼近找出正常水深。

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【解題關鍵】利用曼寧公式建立流量與水深的非線性方程式,再以試誤法(Trial and Error)求解。 【解答】 已知:

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